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JP3839052B2 - Flow sensor - Google Patents
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Description

従来の技術
本発明は、請求項１の上位概念に記載された流量センサに関する。米国特許４４５８１９２８号明細書からすでにダイヤフラムを有する流量センサが公知である。ここではダイヤフラムにヒーターが配置され、ヒータの各側に温度センサが配置されている。ヒーターと温度センサは抵抗層から切り出し成形される。評価のために温度センサは他の抵抗とともに測定ブリッジ回路に配置されている。
発明の利点
請求項１の構成を有する本発明の流量センサは従来技術に対して、センサ素子の信号の改善が達成されるという利点を有する。その際にわずかなコスト上昇が必要なだけである。さらにセンサ素子は対象に構成され、これにより個々の温度センサの信号が同じ経過をとるようになる。コストは非常に僅かである。というのは、すべての素子が１つの同じ抵抗層から切り出し成形されるからである。したがって製造公差は測定素子に僅かな影響しか及ぼさない。
従属請求項に記載された手段によって、本発明の流量センサの有利な構成および改善が可能である。温度センサと別の温度センサは相前後して、または並置して配置することができる。付加コストなしで、ヒーター、温度センサおよび別の温度センサに対する線路を抵抗層から形成することができる。とくに簡単で正確なセンサ信号の検出が、温度センサと別の温度センサを１つの測定ブリッジに配置する構成によって達成される。ここでは接続抵抗に並列に有利には調整抵抗が接続される。この調整抵抗によってブリッジの調整を行うことができる。
接続抵抗の温度係数を除去するためには、調整抵抗を比較的に高抵抗に構成することができる。
図面
本発明の実施例が図面に示されており、以下詳細に説明する。図１は本発明の測定素子の平面図、図２はと図３は別の実施例、図４は測定ブリッジの等価回路を示す図である。
実施例の説明
図１には本発明の測定素子の平面図が示されている。この測定素子は基板２０からなり、基板によってダイヤフラム１が保持されている。ダイヤフラム１はとくに小さな熱慣性ととくに小さな熱伝導率を有する。ダイヤフラム１には、ヒーター２、温度センサ３と４、別の温度センサ５、６および接続抵抗７が設けられている。ヒーター２によってダイヤフラムは所定の温度に加熱される。矢印が示すように、ダイヤフラムの上側を媒体流が通流すると、ダイヤフラムはこの媒体流によって冷却される。ここで通流方向で上流側にある抵抗３と５は、下流側にある抵抗４と６よりも比較的に強く冷却される。この温度差を検出することにより、流れの強度を推定することができる。
ヒーター２は抵抗素子として構成されている。すなわち、ヒーター２を流れる電流によってこのヒーターが加熱される。温度センサ３、４、５、６は抵抗サーモメータとして構成されている。すなわち、抵抗で降下する電圧を測定することによって個々の測定素子の温度を検出することができる。
ヒーター２と温度センサ３、４と別の温度センサ５、６を接触接続するために、導体路８とボンドパッド３１〜３８が設けられている。ボンドパッド３１〜３８にはワイヤが固定されており、このワイヤが評価回路との電気接続を行う。電気信号の導通は基板２０上で導体路８によって行われる。
ここで米国特許第４５８１９２８号明細書の場合のように、基板２０に対してはシリコン基板が考えられる。ダイヤフラム１に対しては基板２０の上側に薄い誘電層が設けられており、したがって基板２０はダイヤフラム１の下側に距離をおいて配置されている。このことは、米国特許第４５８１９２８号明細書に記載されたのと同じようにダイヤフラムの開口部によって行われる。しかし択一的に、基板２０の裏側からダイヤフラム層まで開口部をエッチングし、ダイヤフラムを形成することもできる。シリコンの他にもちろん、別の材料を基板２０に対して使用することもできる。
ヒーター２、抵抗３、４、５、６、７、線路８およびボンドパッド３１〜３８の作製は、最初は全く平坦に設けられた層を成形することにより行われる。導体路８は格段に大きな横断面を有し、したがってその抵抗は抵抗２〜７に対して比較的に小さい。センサの機能に対しては、上流側にある抵抗素子３、５と下流側にある抵抗素子４と６がそれぞれヒーター２に対して対称に配置されていることが重要である。導体路８の無視できない残留抵抗のため、この残留抵抗も抵抗３、４、５、６に対して対称にすべきである。すべての素子がただ１つの層から切り出し成形される場合には、導体路をジャンパ接続することはできない。したがって、別の抵抗５と６との間に接続抵抗７を配置し、この抵抗がこれら２つの抵抗素子の間の接続を行うようにする。このことにより、導体路８を抵抗５と６に対して対称に構成することが可能になる。
図４には、測定素子の評価回路の等価回路が示されている。温度センサ３、４は、中間タップ３３を有する第１の測定ブリッジ分岐路を形成する。別の温度センサ６、７と５は、２つのタップ３４、３５を有する第２の測定ブリッジ分岐路を形成する。端子３１は供給電圧と、また端子３２はアースと接続されている。タップ３１〜３５は、図１の測定素子の平面図に示されたボンドパッドに相当する。
評価回路には別の調整抵抗１５と１６が設けられている。これらの抵抗は接続抵抗７に対して並列に接続されている。調整抵抗１５と１６との間に補正されたブリッジタップ３６が設けられている。抵抗１５と１６の抵抗値を調整することによって測定ブリッジのゼロ点を調整することができる。
図１からわかるように、測定ブリッジに配置されたすべての抵抗はダイヤフラムに載置されている。したがって、各ブリッジ抵抗の抵抗値は媒体流と共に変化する。このように構成されたブリッジ回路はとくに強い信号を有する。しかし問題なのは、導体路８を個々の抵抗に対して対称に構成することである。ブリッジ構成であるため、導体路８が非対称に導かれた場合には、この導体路８の無視できない残留抵抗によって使用時にすでに相応に歪んだ特性曲線を有する非対称のブリッジ回路が形成されてしまう。したがってすべての導体路はダイヤフラム上の抵抗に対して対称に構成されなければならない。抵抗３と４により形成されるブリッジ分岐路では、ただ１つの導体路がタップ３３に対して設けられている。この種のタップは、抵抗５と６により形成されるブリッジ分岐路に対しても最適であろう。すべての抵抗２〜７とすべての導体路８がただ１つの層から切り出し成形されるならば、この種のタップは不可能である。したがって対称構成を可能にするため、接続抵抗７が設けられ、これによって２つのタップ３４と３５の対称構成を可能にする。この場合、タップ３４と３５の２つの信号は調整抵抗１５と１６を介して補正されたブリッジタップ３６でまとめられる。抵抗値１５と１６を相応に調整することによって、ブリッジの静止平衡状態を調整することができる。この場合、接続抵抗７がその抵抗値をお名用にダイヤフラムの温度によって変化することは問題である。抵抗１５と１６の全体抵抗値が接続抵抗７の抵抗値に対して比較的に高抵抗であれば、接続抵抗７の温度経過はタップ３６の出力信号に僅かな影響しか及ぼさない。
図１では、温度センサ３、４と別の温度センサ５、６が相互に接続されたメアンダ状の抵抗路として構成されている。したがって温度センサ３は同じダイヤフラム面に載置されている。これは別の温度センサ５も同じである。温度センサ４はダイヤフラムの同じ面に配置されており、これは別の温度センサ６も同じである。この構成によって、温度センサ３と４は同じダイヤフラム領域の温度を測定する。これは別の２つの温度センサ５と６も同じである。
図２と図３には、温度センサ３、４と別の温度センサ５、６の別の構成が示されている。簡単にするため、ダイヤフラム、導体路および基板２０は省略してある。図１では、温度センサ３、４と別の温度センサ５、６がダイヤフラムの同じ領域を覆っている。ここで温度センサはメアンダ状の接続によって比較的大きな面積を覆っている。図２では、温度センサ３、４、５、６に対する個々の抵抗素子がメアンダ状に接続されていない構成が示されている。この配置構成は格段に小型に組み立てることができる。中央に配置されたヒーター２から発する温度勾配がダイヤフラムに生じるので、抵抗素子３、４、５、６の小型の構成により、ひいては１つの小さなダイヤフラム領域だけが網羅されることにより、各温度センサは１つの比較的小さな温度勾配に曝されるだけである。図２では、温度センサ３、４が内部に、すなわちヒーター２の近傍に配置されており、別の温度センサ５、６はさらに外部に、すなわち外側に配置されている。図３には、別の温度センサ５、６が内部に、すなわちヒーター２の近傍に配置され、温度センサ３、４が外側にすなわちヒーターからさらに離れて配置されている構成が示されている。2. Description of the Related Art The present invention relates to a flow sensor described in the superordinate concept of claim 1. US Pat. No. 4,458,1928 already discloses a flow sensor having a diaphragm. Here, a heater is disposed on the diaphragm, and a temperature sensor is disposed on each side of the heater. The heater and the temperature sensor are cut out from the resistance layer and molded. For evaluation purposes, the temperature sensor is placed in a measurement bridge circuit along with other resistors.
Advantages of the Invention The flow sensor of the present invention having the structure of claim 1 has the advantage that an improvement in the signal of the sensor element is achieved over the prior art. Only a slight increase in costs is required. Furthermore, the sensor element is configured as a target, so that the signals of the individual temperature sensors take the same course. The cost is very small. This is because all the elements are cut out from one and the same resistance layer. Therefore, manufacturing tolerances have only a minor effect on the measuring element.
By means of the dependent claims, advantageous constructions and improvements of the flow sensor according to the invention are possible. The temperature sensor and another temperature sensor can be arranged side by side or juxtaposed. The lines for the heater, the temperature sensor and another temperature sensor can be formed from a resistive layer without additional cost. A particularly simple and accurate detection of the sensor signal is achieved by a configuration in which a temperature sensor and another temperature sensor are arranged in one measurement bridge. Here, an adjusting resistor is preferably connected in parallel with the connecting resistor. The bridge can be adjusted by this adjusting resistor.
In order to remove the temperature coefficient of the connection resistance, the adjustment resistor can be configured to have a relatively high resistance.
Drawings Embodiments of the invention are shown in the drawings and are described in detail below. FIG. 1 is a plan view of a measuring element of the present invention, FIGS. 2 and 3 are other embodiments, and FIG. 4 is an equivalent circuit of a measuring bridge.
FIG. 1 shows a plan view of a measuring element of the present invention. This measuring element comprises a substrate 20, and the diaphragm 1 is held by the substrate. Diaphragm 1 has a particularly small thermal inertia and a particularly small thermal conductivity. The diaphragm 1 is provided with a heater 2, temperature sensors 3 and 4, other temperature sensors 5 and 6, and a connection resistor 7. The diaphragm is heated to a predetermined temperature by the heater 2. As indicated by the arrows, the diaphragm is cooled by the medium flow as the medium flows through the upper side of the diaphragm. Here, the resistors 3 and 5 on the upstream side in the flow direction are cooled relatively stronger than the resistors 4 and 6 on the downstream side. By detecting this temperature difference, the strength of the flow can be estimated.
The heater 2 is configured as a resistance element. That is, the heater is heated by the current flowing through the heater 2. The temperature sensors 3, 4, 5, 6 are configured as resistance thermometers. That is, the temperature of each measuring element can be detected by measuring the voltage dropped by the resistance.
In order to contact and connect the heater 2 and the temperature sensors 3 and 4 to the other temperature sensors 5 and 6, a conductor path 8 and bond pads 31 to 38 are provided. Wires are fixed to the bond pads 31 to 38, and these wires make electrical connection with the evaluation circuit. The electrical signal is conducted on the substrate 20 by the conductor path 8.
Here, as in U.S. Pat. No. 4,581928, a silicon substrate can be considered for the substrate 20. A thin dielectric layer is provided on the upper side of the substrate 20 with respect to the diaphragm 1, so that the substrate 20 is disposed at a distance on the lower side of the diaphragm 1. This is done by the diaphragm opening in the same manner as described in US Pat. No. 4,581928. Alternatively, however, the opening can be etched from the back side of the substrate 20 to the diaphragm layer to form the diaphragm. Of course, other materials can be used for the substrate 20 besides silicon.
The heater 2, resistors 3, 4, 5, 6, 7, the line 8, and the bond pads 31 to 38 are initially formed by molding a layer that is completely flat. The conductor track 8 has a remarkably large cross section, and therefore its resistance is relatively small relative to the resistors 2-7. For the sensor function, it is important that the resistance elements 3 and 5 on the upstream side and the resistance elements 4 and 6 on the downstream side are arranged symmetrically with respect to the heater 2, respectively. Because of the non-negligible residual resistance of the conductor track 8, this residual resistance should also be symmetric with respect to the resistors 3, 4, 5, 6. When all the elements are cut out and formed from a single layer, the conductor track cannot be jumper connected. Therefore, a connection resistor 7 is arranged between the other resistors 5 and 6 so that this resistor makes a connection between these two resistance elements. This makes it possible to configure the conductor path 8 symmetrically with respect to the resistors 5 and 6.
FIG. 4 shows an equivalent circuit of the measurement element evaluation circuit. The temperature sensors 3, 4 form a first measurement bridge branch having an intermediate tap 33. The other temperature sensors 6, 7 and 5 form a second measurement bridge branch having two taps 34,35. Terminal 31 is connected to the supply voltage and terminal 32 is connected to ground. The taps 31 to 35 correspond to the bond pads shown in the plan view of the measuring element in FIG.
In the evaluation circuit, other adjustment resistors 15 and 16 are provided. These resistors are connected in parallel to the connection resistor 7. A corrected bridge tap 36 is provided between the adjustment resistors 15 and 16. By adjusting the resistance values of resistors 15 and 16, the zero point of the measurement bridge can be adjusted.
As can be seen from FIG. 1, all the resistors arranged in the measurement bridge are mounted on the diaphragm. Therefore, the resistance value of each bridge resistor changes with the medium flow. The bridge circuit configured in this way has a particularly strong signal. However, the problem is that the conductor path 8 is configured symmetrically with respect to the individual resistances. Due to the bridge configuration, when the conductor path 8 is guided asymmetrically, an asymmetric bridge circuit having a characteristic curve that is already distorted at the time of use is formed by a non-negligible residual resistance of the conductor path 8. Therefore, all conductor tracks must be constructed symmetrically with respect to the resistance on the diaphragm. In the bridge branch formed by the resistors 3 and 4, only one conductor path is provided for the tap 33. This type of tap would also be optimal for a bridge branch formed by resistors 5 and 6. This type of tap is not possible if all the resistors 2-7 and all the conductor tracks 8 are cut out from only one layer. Therefore, in order to enable a symmetric configuration, a connection resistor 7 is provided, which allows a symmetric configuration of the two taps 34 and 35. In this case, the two signals of the taps 34 and 35 are collected by the bridge tap 36 corrected through the adjustment resistors 15 and 16. By adjusting the resistance values 15 and 16 accordingly, the static equilibrium state of the bridge can be adjusted. In this case, it is a problem that the connection resistance 7 changes its resistance value according to the temperature of the diaphragm. If the overall resistance values of the resistors 15 and 16 are relatively high compared to the resistance value of the connection resistor 7, the temperature course of the connection resistor 7 has a slight effect on the output signal of the tap 36.
In FIG. 1, the temperature sensors 3 and 4 and the other temperature sensors 5 and 6 are configured as meander-shaped resistance paths connected to each other. Therefore, the temperature sensor 3 is mounted on the same diaphragm surface. The same applies to the other temperature sensors 5. The temperature sensor 4 is arranged on the same surface of the diaphragm, which is the same for the other temperature sensor 6. With this configuration, the temperature sensors 3 and 4 measure the temperature of the same diaphragm region. The same applies to the other two temperature sensors 5 and 6.
2 and 3 show another configuration of the temperature sensors 3 and 4 and the other temperature sensors 5 and 6. For simplicity, the diaphragm, conductor track, and substrate 20 are omitted. In FIG. 1, temperature sensors 3 and 4 and other temperature sensors 5 and 6 cover the same area of the diaphragm. Here, the temperature sensor covers a relatively large area by means of a meander connection. FIG. 2 shows a configuration in which the individual resistance elements for the temperature sensors 3, 4, 5, 6 are not connected in a meander shape. This arrangement can be remarkably miniaturized. Since a temperature gradient emanating from the heater 2 arranged in the center is generated in the diaphragm, each temperature sensor is covered by the small configuration of the resistance elements 3, 4, 5, 6 and thus only one small diaphragm region is covered. It is only exposed to one relatively small temperature gradient. In FIG. 2, the temperature sensors 3 and 4 are arranged inside, that is, in the vicinity of the heater 2, and the other temperature sensors 5 and 6 are further arranged outside, that is, outside. FIG. 3 shows a configuration in which the other temperature sensors 5, 6 are arranged inside, that is, in the vicinity of the heater 2, and the temperature sensors 3, 4 are arranged outside, that is, further away from the heater.

Claims (7)

測定素子を有する流量センサであって、前記測定素子がダイヤフラム（１）と、ダイヤフラム（１）上に抵抗層を有し、該抵抗層から少なくとも１つのヒーター（２）と、該ヒーター（２）の両側に温度センサ（３、４）が切り出し成形される形式の流量センサにおいて、
接続抵抗（７）が設けられており、該接続抵抗は別の２つの温度センサ（５，６）を相互に接続し、
前記別の温度センサ（５，６）と接続抵抗（７）とはダイヤフラムに載置されており、
前記別の温度センサ（５，６）と接続抵抗（７）とは前記抵抗層から切り出し成形されており、
前記ヒーター（２）、温度センサ（３，４）および別の温度センサ（５，６）はダイヤフラム上の1つの平面内に配置されており、
測定ブリッジが形成され、
温度センサ（３、４）は、測定ブリッジの第１の分岐路を形成し、該第１の分岐路は当該２つの温度センサの間に中間タップ（３３）を有しており、
別の温度センサ（５、６）は接続抵抗（７）と共に測定ブリッジの第２の分岐路を形成し、該接続抵抗は２つの別の温度センサ（５、６）の間に配置されており、
測定ブリッジの第２の分岐路は２つのタップ（３４、３５）を有し、
当該タップはそれぞれ、接続抵抗（７）と２つの別の温度センサ（５、６）のそれぞれ一方との間に配置されている、ことを特徴とする流量センサ。A flow sensor having a measuring element, the measuring element having a diaphragm (1), a resistance layer on the diaphragm (1), at least one heater (2) from the resistance layer, and the heater (2) In the flow rate sensor of the type in which the temperature sensors (3, 4) are cut out and molded on both sides of
A connection resistor (7) is provided, which connects the other two temperature sensors (5, 6) to each other,
The other temperature sensor (5, 6) and the connection resistance (7) are placed on a diaphragm,
The other temperature sensor (5, 6) and the connection resistance (7) are cut out from the resistance layer and molded.
Said heater (2), temperature sensor (3, 4) and another temperature sensor (5, 6) are arranged in one plane on the diaphragm ,
A measurement bridge is formed,
The temperature sensors (3, 4) form a first branch of the measurement bridge, which has an intermediate tap (33) between the two temperature sensors,
Another temperature sensor (5, 6) forms a second branch of the measuring bridge with the connection resistance (7), which is arranged between the two other temperature sensors (5, 6). ,
The second branch of the measurement bridge has two taps (34, 35),
Each of the taps is arranged between a connection resistance (7) and one of two other temperature sensors (5, 6) . 温度センサ（３，４）と別の温度センサ（５，６）とは相互に接続された抵抗素子として構成されており、該抵抗素子の形状はメアンダ状である、請求項１記載の流量センサ。The flow sensor according to claim 1, wherein the temperature sensor (3, 4) and the other temperature sensor (5, 6) are configured as a resistance element connected to each other, and the shape of the resistance element is a meander shape. . 温度センサ（３、４）は、別の温度センサ（４、６）よりもヒーター（２）の近傍に配置されている、請求項１記載の流量センサ。The flow sensor according to claim 1, wherein the temperature sensor (3, 4) is arranged closer to the heater (2) than to another temperature sensor (4, 6). 別の温度センサ（５、６）は、温度センサ（３、４）よりもヒーター（２）の近傍に配置されている、請求項１記載の流量センサ。The flow sensor according to claim 1, wherein the other temperature sensor (5, 6) is arranged closer to the heater (2) than the temperature sensor (3, 4). ヒーター（２）、温度センサ（３、４）、別の温度センサおよび接続抵抗（７）を接触接続するための導体路（８）が設けられており、
該導体路（８）は抵抗層から切り出し成形される、請求項１から４までのいずれか１項記載の流量センサ。A conductor path (8) for contact-connecting the heater (2), the temperature sensor (3, 4), another temperature sensor and the connection resistance (7) is provided,
The flow rate sensor according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductor path (8) is cut out and formed from a resistance layer. ２つの調整抵抗（１５、１６）が設けられており、
当該２つの調整抵抗（１５、１６）は、第２のブリッジ分岐路の２つのタップ（３４、３５）の間に直列に配置されており、
調整抵抗（１５、１６）の間に調整されたタップ（３６）が設けられている、請求項１記載の流量センサ。Two adjustment resistors (15, 16) are provided,
The two adjustment resistors (15, 16) are arranged in series between the two taps (34, 35) of the second bridge branch,
Taps are adjusted during the adjusting resistor (15, 16) (36) is provided, the flow rate sensor of claim 1, wherein. 調整抵抗（１５、１６）は接続抵抗（７）と比較して高抵抗である、請求項６記載の流量センサ。The flow sensor according to claim 6 , wherein the adjusting resistors (15, 16) are higher in resistance than the connection resistors (7).
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